第6章 WSN物联网原理和技术应用简介

6.1 物联网概述

在比尔·盖茨的“未来之家”中，盖茨的每件衣服上都有一个电子标签，从衣橱中拿出一件上衣时，就能显示这件衣服搭配什么颜色的裤子以及在什么季节、什么天气穿比较合适。给放养的每一只羊都分配一个二维码，这个二维码会一直保持到超市出售的每一块羊肉上，消费者通过手机阅读二维码，就可以知道羊的成长历史，确保食品安全。在电梯上装上传感器，当电梯发生故障时，无须乘客报警，电梯管理部门会借助网络在第一时间得到信息，以最快的速度去现场处理故障。这些只是物联网的局部应用，随着RFID技术、无线传感技术、传感网组网络等关键技术的迅猛发展，物联网产业规模快速增长，应用领域广泛拓展，物联网在各个领域的应用逐渐成熟稳定，物联网正在改变我们的生活。

物联网到底是什么呢？物联网（Network of Things）的概念是在1999年提出的，指通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统等信息传感设备，按约定的协议把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。所谓物联网，在中国也称为传感网，指的是将各种信息传感设备与互联网结合起来而形成的一个巨大网络。

2005年11月17日，在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS）上，国际电信联盟（ITU）发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，报告指出，无所不在的“物联网”通信时代即将来临，世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过互联网主动进行交换。射频识别技术（RFID）、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将到更加广泛的应用。

2009年2月24日，IBM大中华区首席执行官钱大群在2009IBM论坛上公布了名为“智慧的地球”的最新策略。针对中国经济的状况，钱大群表示，中国的基础设施建设空间广阔，而且中国政府正在以巨大的控制能力、实施决心和配套资金对必要的基础设施进行大规模建设，“智慧的地球”这一战略将会产生更大的价值。

在策略发布会上，IBM还提出，如果在基础建设的执行中，植入“智慧”的理念，不仅仅能够在短期内有力地刺激经济、促进就业，而且能够在短时间内为中国打造一个成熟的智慧基础设施平台。

钱大群表示，当今世界许多重大的问题如金融危机、能源危机和环境恶化等，实际上都能够以更加“智慧”的方式解决。在全球经济形势低迷的同时，也孕育着未来的发展机遇，中国不仅能够借此机遇开创新乐观产业和新的市场，加速发展，摆脱经济危机的影响，而且能够创造出巨大的经济和社会效益。

IBM希望“智慧的地球”策略能掀起“互联网”浪潮之后的又一次科技革命。IBM前首席执行官郭士纳曾提出一个重要的观点，认为计算模式每隔15年发生一次变革。这一判断像摩尔定律一样准确，人们把它称为“十五年周期定律”。1965年前后发生的变革以大型机为标志；1980年前后以个人计算机的普及为标志；而1995年前后则发生了互联网革命。每一次这样的技术变革都引起企业间、产业间甚至国家间竞争格局的重大动荡和变化。而互联网革命一定程度上是由美国“信息高速公路”战略所催熟的。20世纪90年代，美国克林顿政府计划用20年时间，耗资2000亿～4000亿美元建设美国国家信息基础结构，创造了巨大的经济和社会效益。

而今天，“智慧的地球”战略被不少美国人认为与当年的“信息高速公路”有许多相似之处，同样被他们认为是振兴经济、确立竞争优势的关键战略。该战略能否掀起如当年互联网革命一样的科技和经济浪潮，不仅为美国关注，更为世界所关注。

2005年，在中国诞生了“智慧的钥匙”（Witkey）;2007年12月，刘锋、张玲玲、顾基发等人在中国发表了学术论文《知识管理在互联网中的应用》，提出了“互联网虚拟大脑”的观点。该文作者之一刘锋于2009年7月15日在百度网站发表博文认为：“IBM智慧地球”的概念比“互联网虚拟大脑”的观点晚1～3年，并用图形“图示IBM智慧地球与互联网虚拟大脑理论的雷同”；该作者还在百度网站发表了另一篇博文指出“IBM智慧地球是不成熟的概念”。

奥巴马就职后，美国政府提出了智慧地球的概念，物联网（Internet of Things, IOT）就是这些所谓智慧型基础设施中间的一个概念，国内称之为传感网，这是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮。

中国移动总裁王建宙在2009年8月24日在中国台湾访问时的一次演讲中也提及了“物联网”的概念，并系统阐释了物联网对人类生活的重大影响。

南京邮电大学校长、博士生导师杨震教授说，世界上的万事万物，小到手表、钥匙，大到汽车、楼房，只要嵌入一个微型感应芯片，把它变得智能化，这个物体就可以“自动开口说话”。再借助无线网络技术，人们就可以和物体“对话”，物体和物体之间也能“交流”，这就是物联网。如果物联网再搭上互联网这个桥梁，在世界任何一个地方我们都可以即时获取万事万物的信息。可以这么说，物联网加上互联网等于智慧地球。

物联网用途广泛，可运用于城市公共安全、公共卫生、工业监测、工业安全生产、政府工作、环境监控、智能交通、平安家居、智能家居、智能消防、老人护理、个人健康、健康监测等多个领域，让人们享受到更加安全轻松的生活。

举几个例子来说吧，从成都开车到重庆，上车后，只要设置好目的地便可随意睡觉、看电影，车载系统会通过路面接收到的信号智能行驶；不住在医院，但只要通过一个小小的仪器，医生就能24小时监控病人的体温、血压、脉搏；下班了，只要用手机发出一个指令，家里的电饭煲就会自动加热做饭……

这不是科幻电影中的场景，通过“物联网”的逐步实现和提升，每个人的生活都将向此靠拢。

“物联网”概念的问世打破了之前的传统思维。过去的思路一直是将物理基础设施和IT基础设施分开：一方面是机场、公路、建筑物，而另一方面是数据中心、个人电脑、宽带等。而在“物联网”时代，钢筋混凝土、电缆将与芯片、宽带整合为统一的基础设施，在此意义上，基础设施更像是一块新的地球工地，世界的运转就在它上面进行，其中包括经济管理、生产运行、社会管理乃至个人生活。

业内人士预测，物联网将是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业发展浪潮。随着物联网的大规模普及，这一技术将会形成一个上万亿元规模的高科技市场，其产业要比互联网大30倍。未来三到五年，物联网将全面进入人们的生活。届时，轻触一下电脑或手机按键，千里之外的你想了解某件物品的状况或某个人的活动情况，都能一目了然。

物联网用途广泛，遍及智能交通、环境保护、政府工作、 公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、老人护理、个人健康等多个领域。

6.2 物联网的原理

物联网是在计算机互联网的基础上，利用RFID、无线数据通信等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的“Internet of Things”。在这个网络中，物品（商品）能够彼此进行“交流”，而无须人的干预。其实质是利用射频自动识别（RFID）技术，通过计算机互联网实现物品（商品）的自动识别和信息的互联与共享。它把所有物品通过无线射频识别（RFID）等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理，其中非常重要的技术是RFID电子标签技术。以简单的RFID系统为基础，结合已有的网络技术、数据库技术、中间件技术等，构筑一个由大量联网的阅读器和无数移动的标签组成的比Internet更为庞大的物联网已成为RFID技术发展的趋势。

物联网应用的拓扑框图如图6.1所示。

而RFID正是能够让物品“开口说话”的一种技术。在“物联网”的构想中，RFID标签中存储着规范而具有互用性的信息，通过无线数据通信网络把它们自动采集到中央信息系统，实现物品（商品）的识别，进而通过开放性的计算机网络实现信息交换和共享，对物品进行“透明”管理。具体的实现步骤说明如下。

（1）对物体属性进行标识，属性包括静态属性和动态属性，静态属性可以直接存储在标签中，动态属性需要先由传感器实时探测。

（2）需要识别设备完成对物体属性的读取，并将信息转换为适合网络传输的数据格式。

（3）将物体的信息通过网络传输到信息处理中心（处理中心可能是分布式的，如家里的电脑或者手机，也可能是集中式的，如中国移动的IDC），由处理中心完成物体通信的相关计算。

物联网实现的关键在于RFID、传感器、嵌入式软件及传输数据计算等技术的共同发展和结合应用。

具体来说，物联网是指各类传感器和现有互联网相互衔接的一个新技术。通过安装信息传感设备，如射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等，将所有的物品都与网络连接在一起，方便识别和管理。电视、洗衣机、空调甚至自行车、门锁和血压计上都能使用物联网技术。

物联网的实现有以下三个层次值得关注。

一是传感网络，即以二维码、RFID、传感器为主，实现“物”的识别。

二是传输网络，即通过现有的互联网、广电网络、通信网络等实现数据的传输与计算。

三是应用网络，即输入输出控制终端，可基于现有的手机、个人电脑等终端进行应用。

6.3 物联网技术标准在中国的发展

我国传感网标准体系已形成初步框架，向国际标准化组织提交的多项标准提案均被采纳，传感网标准化工作已经取得积极进展。

在实际运用中，无锡传感网中心的传感器产品已经衍生出经济效应，据无锡媒体报道，上海浦东国际机场防入侵系统铺设了3万多个传感节点，覆盖了地面、栅栏和低空探测。多种传感手段组成一个协同系统后，可以防止人员的翻越、偷渡、恐怖袭击等攻击性入侵。国家民航总局正式发文要求，全国民用机场都要采用国产传感网防入侵系统。

工信部的一份内部材料也认为，随着传感器、软件、网络等关键技术迅猛发展，传感网产业规模快速增长，应用领域广泛拓展，带来信息产业发展的新机遇。

我国已初步形成传感网标准体系。经过长期艰苦努力，我国相关机构和企业攻克了大量关键技术难关，取得了国际标准制定的重要话语权，传感网发展具备了一定产业基础，在电力、交通、安防等相关领域的应用也初见成效。《国家中长期科学与技术发展规划（2006—2020年）》和“新一代宽带移动无线通信网”重大专项中均将传感网列入重点研究领域。

温家宝总理在2009年8月9日视察中科院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心时发表讲话说：“每一次大的危机，无论是经济危机、金融危机，它都会催生一些新的技术，而新技术的诞生也是使经济特别是工业走出危机的一个巨大推动力。”

2009年8月24日，王建宙在访问台湾的途中，就曾高调提及“物联网”的概念，并表示将会邀请台湾生产RFID（射频识别装置）、传感器和条形码的厂商和中国移动合作。

2009年9月11日，经国家标准化管理委员会批准，全国信息技术标准化技术委员会组建了传感器网络标准工作组。标准工作组聚集了中国科学院、中国移动等国内传感网主要的技术研究和应用单位，积极开展了传感网标准制定工作，深度参与国际标准化活动，旨在通过标准化为产业发展奠定坚实技术基础。在这次会议上，相关负责人透露，我国传感网标准体系已形成初步框架，向国际标准化组织提交的多项标准提案被采纳。当时的市场上正沉浸于次新股的巨大魔力中，这条来自科技界的消息并没有得到足够的重视，或者说，根本没有机会出现在各大媒体的首页或头条，以引领信息产业新浪潮的王者姿态接受股民膜拜。

2009年9月14日在北京举行的中国通信业发展高层论坛上，中国移动总裁王建宙充满信心地表示，物联网商机无限，中国移动将以开放的姿态，与各方竭诚合作。